北京大学化学与分子工程学院郭雪峰课题组长期致力于构建性能稳定可控的单分子电子器件。他们和合作者发展了国际上单分子电子学研究的新技术和新方向，开发了碳基单分子器件的研究平台：利用电子束曝光和氧等离子体刻蚀等微纳加工工艺制备了边缘羧基修饰的两代碳基纳米间隙点电极，通过与末端为氨基的分子发生反应，形成酰胺共价键为接触界面的“石墨烯-分子-石墨烯”异质结，解决了器件稳定性差、制备困难的核心问题（Science 2006, 311, 356；Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 12228；Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 3906）。基于这一可靠的器件平台，该课题组和合作者在构建功能化分子器件方面取得了一系列原创性的研究成果，包括单分子开关（Science 2016, 352, 1443；Nat. Commun.2019, accepted for publication； Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 125, 8666；Nano Lett. 2017, 17, 856；J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 2849）、单分子化学/生物传感器（Adv. Mater. 2013, 25, 3397；Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 163；Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 2496；Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8886；Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5038；Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 9036；Chem. Sci. 2015, 6, 2469）和单分子场效应晶体管（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 14026；Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 11452；Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2009, 106, 691；Adv. Funct. Mater. 2009, 19, 2743；Angew. Chem. Int. Ed. 2010, 49, 6319；Adv. Mater. 2010, 22, 20）；发展了单分子电学检测的关键性技术，并且在单分子化学反应动力学方面进行了一系列的创新探索，包括分子间主客体相互作用（Sci. Adv. 2016, 2, e1601113）、亲核加成反应（Sci. Adv. 2018, 4, eaar2177）、氢键相互作用（Nat. Commun. 2018, 9, 807）和亲核取代反应（Nano Lett. 2018, 18, 4156），证实了利用单分子电学检测新方法研究单分子反应动力学的可行性，为实现单分子化学反应动态过程的可视化研究迈出了重要的一步。这些结果为揭示物质转换规律和生命本征现象提供了独特的研究方法，有可能产生颠覆性的芯片核心技术和精准分子诊断技术。经过十几年的潜心专研，郭雪峰课题组已成为世界上能够开展碳基单分子器件研究的代表性课题组之一，其研究工作处于国际领先地位（Acc. Chem. Res. 2008, 41, 1731；Acc. Chem. Res.2015, 48, 2565；Chem. Rev. 2016, 116, 4318；Chem. Soc. Rev. 2013, 42, 5642）。
基于上述研究工作基础，该课题组于2017年应邀在Chem上撰写了评论性综述，题为“The Renaissance of Molecular Electronics”，总结了近年来在构筑功能化单分子器件方面所取得的重大进展，探讨了单分子电子器件面向未来发展所面临的挑战和机遇（Chem 2017, 3, 373），积极推动了单分子电子学领域的发展。最近，该课题组与美国西北大学J.Fraser Stoddart组合作，于2019年2月25号在Nature Reviews Physics上在线发表了长篇综述，题为“Concepts in the Design and Engineering of Single-Molecule Electronic Devices”，结合近年来单分子电子学领域的研究进展，首次从工程学的角度系统地探讨了如何依据构效关系构建性能可控的稳定单分子器件的理念（Nat. Rev. Phys. 2019, DOI:10.1038/s42254-019-0022-x）（图1）。具体要点如下：1）将单分子异质结分成三个相互关联的单元—电极、界面和分子骨架/功能中心；2）选择电极材料需要考虑的因素—对空气化学惰性、易加工性、合适的功函以及与分子材料良好的兼容性；3）界面的稳定性和电子耦合强度与电极-锚定基团的结合能成正相关，而通过在分子骨架和锚定基团之间引入间隔基团可以实现这二者对分子本征性能影响的有效控制；4）分子骨架的调控因素有分子长度、主链的几何构型、功能中心的响应性和侧链基团，这为探索分子材料本征的物理性质和实现功能化提供了机遇；5）在面向未来工业化应用方面，单分子电子器件需要改善的方面有器件的均一性、稳定性、集成性以及理论模型的精确性。此外，单分子电子学的研究为分析化学的终极目标—单分子检测—提供了技术基础。而该领域由于其跨学科的特点，需要化学、材料、物理、电子工程、生物等领域的科学家的强强合作来推动其快速发展。相信这篇综述将为单分子电子学的研究提供独特的视角，推动该领域的健康发展。
图1：单分子器件的精准构筑及其功能化示意图
该系列工作得到了来自国家自然科学基金委、科技部、北京市科委和北京大学等项目的支持。北京大学郭雪峰是Chem的通讯作者，北京大学郭雪峰和美国西北大学J. Fraser Stoddart是Nature Reviews Physics的共同通讯作者，两篇文章的第一作者均为北京大学已毕业博士辛娜。感谢Mark A. Ratner和Abraham Nitzan在文章撰写过程中的帮助。
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发表于 2019-3-4 09:06:35
